[논문]LPG연료품질에 따른 LPG액상분사방식의 내구특성연구

김창업; 오승묵; 강건용

문제 정의

국내의 LPG연료품질은 제조사나 수입회사, 사용지역 및 계절에 따라서 모두 다르기 때문에, 본 연구에서는 기준으로 사용할 실험용 표준 LPG 연료의 품질을 정하여 실험을 진행하였다. 이를 위하여 국내의 LPG연료품질기준을 참고로 하여 여러 가지 LPG연료의 품질을 조사하여 시중에서 자동차용으로 판매되는, LPG연료품질기준을 만족하는, LPG 조성 (표준 LPG 실험 연료 A)과, 시중에서 판매 되는 LPG중 가장 올레핀 성분을 많이 함유한, 부타디엔 0%, 프로필렌 0.
2%, 부틸렌 15%, LPG연료(표준 LPG 실험연료 B)를 제작하였다. 마지막으로 일반적으로 시중에서 구입이 불가능한 LPG 연료 조성으로 국내 LPG 품질기준대비 2배 정도 올레핀이 많은, 특히 품질기준에서 언급되는 올레핀 성분인 부타디엔이 많은 LPG연료(표준LPG실험연료C)를 제작하여 부타디엔성분이 LPLi 부품에 미치는 영향을 비교 분석하고자 하였다. 그래서 표준 LPG실험 연료 C는 연료성분 중 고무류 용해에 영향을 주는 것으로 알려진 부타디엔을 1.
본 연구에서는 이러한 LPLi 시스템을 정착한 차량의 본격적인 보급에 즈음하여 국내 LPG 연료 품질이 LPLi 연료시스템의 성능에 미치는 영향정도에 대한 기초 자료를 확보하기 위하여, 벤치형 LPLi 연료 시스템을 구성하고 여러가지 LPG연료품질에 대해서 LPG 연료분사기의 내구 및 성능 특성실험을 실시하였다.

제안 방법

1 억5천만사이클의 내구실험 후에 정상적인 분사량과 누설량을 보인 인젝터들에 대해서 내구성능에 대한 한계를 알아보기 위하여 같은 연료에 대해서 추가적으로 5억 사이클까지 내구실험을 진행하였다. 측정 결과 Fig.
이 사이클은 인젝터 단품에 대한 내구 사이클이기 때문에 정확히 자동차의 주행거리로 환산하기는 어렵지만, 대략 자동차의 운행속도로 추정하면 1 억5천만 사이클은 약 16만km, 5억 사이클은 약 50만km에 상당한다. 각 실험의 수행 전 후의 인젝터의 분사량 및 누설량을 측정하였다. 누설량의 측정은 소형 버블메터를 이용하였고, 과다한 누설 량이 발생했을 경우, 이를 SEM EDS(JEOL, JSM- 5800)를 이용하여 인젝터 내부의 핵심부품인 니들, 노즐을 관측하여 그 원인을 규명하였다.
마지막으로 일반적으로 시중에서 구입이 불가능한 LPG 연료 조성으로 국내 LPG 품질기준대비 2배 정도 올레핀이 많은, 특히 품질기준에서 언급되는 올레핀 성분인 부타디엔이 많은 LPG연료(표준LPG실험연료C)를 제작하여 부타디엔성분이 LPLi 부품에 미치는 영향을 비교 분석하고자 하였다. 그래서 표준 LPG실험 연료 C는 연료성분 중 고무류 용해에 영향을 주는 것으로 알려진 부타디엔을 1.0%, 기타 프로필렌 1.0%, 부틸렌 10%를 첨가하여 제작하였다. 각각의 자세한 성분은 Table 1에 나타내 었다.
각 실험의 수행 전 후의 인젝터의 분사량 및 누설량을 측정하였다. 누설량의 측정은 소형 버블메터를 이용하였고, 과다한 누설 량이 발생했을 경우, 이를 SEM EDS(JEOL, JSM- 5800)를 이용하여 인젝터 내부의 핵심부품인 니들, 노즐을 관측하여 그 원인을 규명하였다. 또한 장시간 운전을 끝낸 LPG연료에 대한 잔류물 측정을 통해서 연료와 연료시스템에 사용된 고무류와의 반응성 여부도 함께 알아보았다.
누설량의 측정은 소형 버블메터를 이용하였고, 과다한 누설 량이 발생했을 경우, 이를 SEM EDS(JEOL, JSM- 5800)를 이용하여 인젝터 내부의 핵심부품인 니들, 노즐을 관측하여 그 원인을 규명하였다. 또한 장시간 운전을 끝낸 LPG연료에 대한 잔류물 측정을 통해서 연료와 연료시스템에 사용된 고무류와의 반응성 여부도 함께 알아보았다.
정하여 실험을 진행하였다. 이를 위하여 국내의 LPG연료품질기준을 참고로 하여 여러 가지 LPG연료의 품질을 조사하여 시중에서 자동차용으로 판매되는, LPG연료품질기준을 만족하는, LPG 조성 (표준 LPG 실험 연료 A)과, 시중에서 판매 되는 LPG중 가장 올레핀 성분을 많이 함유한, 부타디엔 0%, 프로필렌 0.2%, 부틸렌 15%, LPG연료(표준 LPG 실험연료 B)를 제작하였다. 마지막으로 일반적으로 시중에서 구입이 불가능한 LPG 연료 조성으로 국내 LPG 품질기준대비 2배 정도 올레핀이 많은, 특히 품질기준에서 언급되는 올레핀 성분인 부타디엔이 많은 LPG연료(표준LPG실험연료C)를 제작하여 부타디엔성분이 LPLi 부품에 미치는 영향을 비교 분석하고자 하였다.
장기간 분사되는 연료를 모아서 탱크로 순환시키기 위하여 연료레일에서 탱크로 리턴되는 연료와 합해져서 연료탱크로 순환되도록 구성하였다. 인젝터는 동시에 4개가 작동되도록 공용 인젝터 파드(pod)를 제작하였고, 인젝터의 구동을 위해서 인젝터 제어기를 제작하였으며 한번에 8개의 인젝터를 각각 제어할 수 있도록 하였다.
1은 제작된 폐회로의 LPLi 연료 순환시스템이며 기본적으로 자동차의 LPLi시스템을 그대로 재현하였다. 장기간 분사되는 연료를 모아서 탱크로 순환시키기 위하여 연료레일에서 탱크로 리턴되는 연료와 합해져서 연료탱크로 순환되도록 구성하였다. 인젝터는 동시에 4개가 작동되도록 공용 인젝터 파드(pod)를 제작하였고, 인젝터의 구동을 위해서 인젝터 제어기를 제작하였으며 한번에 8개의 인젝터를 각각 제어할 수 있도록 하였다.

성능/효과

1) LPLi 연료시스템 중 인젝터에 대한 내구실험(1 억5천만 사이클)결과, 국내 LPG 연료 품질기준을 만족하는 LPG연료를 사용할 경우에는 LPLi 인젝터의 내구성이 충분히 보장됨을 확인하였으며 추가 5억 사이클 내구실험 후에도 분사량 및 누설량의 변화가 없는 것으로 나타났다.
2) LPG연료품질 규제치를 벗어나 올레핀류가 과다증가하게 되면, LPLi 시스템에 사용되는 일반적인 고무류에 대해서 반응성이 커지게 되며 발생한 이물질이 인젝터의 노즐부에 쌓임으로써 연료의 누설량이 증가하는 현상이 발생하였다. 따라서 LPG 연료품질에 대한 철저한 규제가 필요하며 안전상 LPLi 시스템에 사용되는 고무류 및 연료라인 등의 재질은 NBR, HNBR, 바이톤, 나이론6 등의 내화학반응성을 갖는 제품을 사용하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
3.1 내구특성

내구실험을 진행한 4개의 인젝터에 대해 동시에 누설량을 측정할 수 있는 인젝터 누설량 측정 장치를 제작하여 인젝터의 누설량을 측정한 결과, 표준연료 A와 표준연료 B에 해당하는 인젝터는 누설량에 있어서 0.2cc/min 미만으로 1 억5천만 사이클 내구실험에서는 내구실험전과 비교하여 차이를 보이지 않았다. 그러나 표준연료 C를 이용한 실험 인젝터는 Fig.
누설증가의 원인분석을 위해서 표준연료 B와 C에서 내구실험을 했던 인젝터를 분해해서 분석해본 결과, 표준연료 B의 인젝터와 니들은 실험 전과 비교하여 큰 차이가 없었으나, 표준연료 C의 인젝터는 Fig. 3과 같이 인젝터 니들과 노즐부에 불순물이 많이 끼어 있고 편마모가 되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이 불순물을 GC-MS로 분석한 결과, 이는 표준연료 c에 다량 함유되어 있는 올레핀류(부타디엔, 부틸렌 프로필렌)가 인젝터와 연료 시스템 실험 장치에 사용된 o-링, 연료라인 안의 재질 등과 반응하여 고무류 성분에 포함되어 있는 여러 가지 화학 첨가제가 녹아내리며 생성된 것으로, 이들 이물질은 인젝터의 니들과 노즐의 미세한 틈새에 끼어 이들의 선접촉을 방해함으로써 누설 량을 증가시키는 것으로 판단된다.
이러한 편마모는 인젝터의 니들과 노즐사이에 많은 틈새를 만들고 결과적으로 LPG C연료를 사용한 인젝터들의 많은 양의 연료량 누설의 원인이 된 것으로 판단된다. 따라서 LPG연료품질에 올레핀 성분들이 기준치 이상으로 많이 함유된다면, 연료시스템을 구성 하는 많은 고무류와의 반웅으로 이물질이 발생 하며 이는 인젝터의 니들과 노즐의 편마모를 일으켜 인젝터의 기능을 상실하는 치명적인 상황이 발생될 수 있음을 본 실험을 통해 확인할 수 있었다.
이로써 LPLi 핵심부품인 인젝터에 대한 내구평가 결과, 국내 LPG연료 품질기준을 만족하는 LPG 연료를 사용할 경우에는 LPLi 시스템의 내구성이 충분히 보장됨을 알 수 있었다.
01%이었다. 인젝터 내구실험 후 표준 LPG 실험 연료 A와 B는 0.04%로 늘었지만 잔류물질 국내품질기준(0.05%)에 적합한 상태였고, 표준연료 C의 잔류물질은 0.07%로 LPG연료 내에 많은 미증발 성분이 존재하고 있음을 확인할 수 있었다. 이 런 불순물들은 연료 내에 녹아 있는 상태이기 때문에 연료필터나 인젝터에 부착된 필터로는 전혀 걸러지지 않는 것으로서 이러한 이물질이 인젝터 내부에 쌓여 인젝터의 노즐이 왕복 운동시 편마모를 일으켜 인젝터의 누설의 원인이 되는 것으로 판단된다.
측정 결과 Fig. 5와 같이, 분사량 변화에서는 표준연료 A로 실험한 인젝터의 분사량 변화가 5억 사이클 경과시에도 초기값과 비교하여 변화가 없는 결과를 얻었고, 누설량 변화에서도 5억 사이클 내구 후에도 누설량은 초기값과 비교하여 큰 차이가 나타나지 않았다.
이러한 이물질에 대한 분석 결과는 Table 2에 자세하게 수록하였다. 표준연료 A 와 C를 비교해보면 이물질의 종류가 올레핀류가 많은 LPG C에 서 LPG A보다 3 배 이상 많이 발견된 것을 확인할 수 있다.
4에는 니들과 노즐을 SEM EDS장비로 촬영한 결과를 보여주고 있다. 표준연료 LPG B로 실험한 인젝터 니들과 노즐은 내구전과 비교하여 별다른 차이점이 없었고 앞서 언급한 누설량 측정값에서도 별다른 차이가 없는 것과 일치한 반면, 표준연료 C로 실험한 인젝터의 경우 니들표면이 편마모가 되고, 편마모로 인하여 노즐과 니들의 접촉부위가 편심되어 깎여 있는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 편마모는 인젝터의 니들과 노즐사이에 많은 틈새를 만들고 결과적으로 LPG C연료를 사용한 인젝터들의 많은 양의 연료량 누설의 원인이 된 것으로 판단된다.

후속연구

따라서 LPG 연료품질에 대한 철저한 규제가 필요하며 안전상 LPLi 시스템에 사용되는 고무류 및 연료라인 등의 재질은 NBR, HNBR, 바이톤, 나이론6 등의 내화학반응성을 갖는 제품을 사용하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

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